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In den Jahren 2011 und 2012 wurden umfangreiche Untersuchungen zur aktuellen Situation der Pflanzenschutzmittelresistenz in Sachsen durchgeführt. Einbezogen waren wirtschaftlich bedeutsame Schadorganismen in Sachsen sowie verschiedene insektizide, fungizide und herbizide Wirkstoffe. Die Erhebungen zeigen, dass in Sachsen ein Anstieg von Pflanzenschutzmittelresistenzen gegenüber den untersuchten Schadorganismen zu verzeichnen ist. Aus den Projektergebnissen wurden entsprechend angepasste bzw. neue Behandlungsstrategien zum Antiresistenzmanagement für die sächsischen Anbauregionen abgeleitet. Ziel ist es, der Resistenzausbreitung und der damit verbundenen Zunahme von chemischen Pflanzenschutzmaßnahmen entgegenzuwirken.

Einleitung: Risiken für Honigbienen stellen heutzutage schwindende natürliche Flächen und der Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft dar. Flupyradifuron ist der Wirkstoff eines neuen Pflanzenschutzmittels der Bayer AG, das unter dem Namen „Sivanto“ vermarktet wird. Flupyradifuron an den nikotinischen Acetylcholin-Rezeptor im Gehirn der Honigbiene. Zielstellung: Ziel dieser Arbeit ist es, subletale Effekte von Flupyradifuron auf Verhalten und Gehirnstrukturen der Honigbiene zu untersuchen. Material und Methoden: Der Effekt einer chronischen Flupyradifuron-Applikation in unterschiedlichen Konzentrationen über zehn Tage auf die Mortalität, wurde in frisch geschlüpften Sommerbienen und langlebigen Winterbienen untersucht (N = 30 pro Behandlung, jeweils vier Replikate). Die statistische Auswertung erfolgte mit der Kaplan-Meier-Methode mit log-Rank Test. Nachdem Flupyradifuron einmalig an Honigbienen (N = 46, 47, 48 bzw. 55 pro Behandlung bei Nektar-sammelnden; N = 54, 68, 56 bzw. 62 pro Behandlung bei Pollen-sammelnden Bienen) verfüttert wurde, wurde deren Geschmackswahrnehmung getestet Im Folgenden wurden die Bienen mittels klassischer olfaktorischer Konditionierung auf einen Duft konditioniert. Das Gedächtnis wurde am nächsten Tag getestet. Zur statistischen Auswertung wurde die logistische Regression mit Post-Hoc Least Significant Difference Test angewendet. Es wurde eine Videoanalyse durchgeführt, um den Einfluss von Flupyradifuron auf die motorischen Fähigkeiten von Sommer- und Winterbienen zu untersuchen. Dazu wurde Flupyradifuron einmalig (N = 19 pro Behandlung im Sommer; N = 17 bzw. 16 pro Behandlung im Winter) oder über 24 h (N = 15 pro Behandlung im Sommer; N = 18 pro Behandlung im Winter) verabreicht. Zum Vergleich wurde das Experiment mit dem Neonikotinoid Imidacloprid bei Winterbienen wiederholt (N = 17 bzw. 16 pro Behandlung bei einmaliger Gabe; N = 16 pro Behandlung bei 24 h Gabe). Die statistische Auswertung erfolgte mittels einer nicht-parametrischen Varianzanalyse (Kruskal-Wallis H Test) und dem Pearson Chi-Quadrat Test. Um die Effekte von Flupyradifuron auf das Sammelverhalten der Bienen zu untersuchen, wurde die RFID („radio frequency identification“) Technik angewandt. Frisch geschlüpfte Arbeiterinnen (N = 100) wurden in einem separaten Käfig im Bienenstock gehalten und mit Flupyradifuron behandelt. Nach sieben Tagen wurden die Bienen in die Kolonie entlassen und ihr Flugverhalten für 40 Tage verfolgt. Das Experiment wurde zweimal durchgeführt. Die Kaplan-Meier Methode mit log-Rank Test wurde angewandt um Sammelbeginn und -ende zwischen den Behandlungen zu vergleichen. Anzahl und Dauer der Sammelflüge zwischen den Behandlungsgruppen wurden mit dem Mann-Whitney-U-Test verglichen. Um den Einfluss von Flupyradifuron auf Gehirnstrukturen zu untersuchen, wurden die Bienen über zehn Tage oral mit Flupyradifuron behandelt. Gehirne (N =10 pro Behandlung) wurden präpariert, Schnitte von 5 µm wurden hergestellt und mit Hämatoxylin/Eosin (H/E) gefärbt. Bei allen Versuchen wurde ein Signifikanzniveau von P < 0,05 festgelegt. Ergebnisse: In einer mittleren Konzentration von 1,0 µg pro Biene pro Tag war die Mortalität von Sommer- und Winterbienen in drei bzw. zwei von vier Replikaten signifikant erhöht. Eine zehnfach höhere Konzentration führte zu 100 % Mortalität, eine zehnfach niedrigere Konzentration war subletal. Flupyradifuron reduzierte die Geschmackswahrnehmung und das appetitive Lernen. Dabei hatte nur die höchste verwendete Konzentration (8,3 *10 4 mol/l) einen signifikanten Einfluss, zwei zehnfach niedrigere Konzentrationen hatten keinen Effekt. Eine einmalige Flupyradifuron-Gabe störte das normale motorische Verhalten von Bienen und führte zu motorischen Ausfallerscheinungen. Dies war bei Winterbienen stärker ausgeprägt als bei Sommerbienen und wurde durch eine hohe Dosis (8.3 *10 4 mol/l) hervorgerufen. Nach einer chronischen Gabe über 24 h waren die Veränderungen weniger stark ausgeprägt. Imidacloprid führte nicht zu motorischen Ausfallerscheinungen. Insektizid-behandelte Bienen zeigten signifikant früheres Sammelverhalten. Dies galt für beide Replikate. Im zweiten Replikat zeigten die behandelten Bienen zudem mehr Sammelflüge und diese dauerten länger. Die Analyse von Gehirnstrukturen nach der Behandlung mit Flupyradifuron mit Hilfe von Lichtmikroskopier brachte keine Veränderungen zu Tage. Schlussfolgerungen: In hohen Konzentrationen beeinflusst das neue Insektizid Flupyradifuron Kognition und Motorik der Honigbiene in ähnlicher Weise wie die teilweise verbotenen Neonikotinoide. In niedrigeren Konzentrationen sind die Effekte weniger stark ausgeprägt. Zukünftige Studien sollten mögliche synergistische Effekte von Flupyradifuron in Kombination mit Pflanzenschutzmitteln, wie Fungiziden, aber auch in Kombination mit Parasiten und anderen Krankheitserregern untersuchen. / Introduction: Changing landscapes and pesticides resulting from intensified agriculture are two of the main threats for honeybees. Flupyradifurone is the active ingredient of a new pesticide released by Bayer AG under the name of “Sivanto”. It binds to the nicotinic acetylcholine receptor (nAchR) in the honeybee brain, similar to neonicotinoids. Aim: The aim of this study is to investigate effects of flupyradifurone on honeybee behavior und brain structure. Material and methods: The effect of a chronic application of flupyradifurone in different concentrations on mortality was studied in newly emerged summer bees and long lived winter bees (N = 30 per treatment, four replicates) over a period of ten days. Survival was analyzed using Kaplan-Meier –Method with log-rank Test. After feeding foraging honeybees (N = 46, 47, 48 respectively 55 per treatment in nectar foragers; N = 54, 68, 56 respectively 62 per treatment in pollen foragers) a single dose of flupyradifurone, gustatory responsiveness was quantified. Afterwards the bees were trained to an odor using classical olfactory conditioning. Memory was tested the next day. Statistical analysis was conducted using Logistic Regression. For post-hoc multiple comparisons we used the Least Significant Difference Test. Video analysis was conducted to test the effects of flupyradifurone on honeybee motor abilities in young summer bees and long lived winter bees. Flupyradifurone was administered once (N = 19 per treatment in summer; N = 17 respectively 16 per treatment in winter) or over the period of 24 h (N = 15 per treatment in summer; N = 18 per treatment in winter). For comparisons this experiment was repeated with the neonicotinoid imidacloprid (N = 17 respectively 16 per treatment for single administration; N = 16 per treatment for 24 h application). Non-parametric analysis of variance (Kruskal-Wallis H Test) and Pearson Chi-Square Test were applied to determine the effect of the insecticides on motor behavior between the different treatment groups. To test effects of flupyradifurone on honeybee foraging, RFID (radio frequency identification) technology was applied. Newly emerged worker bees (N = 100) were taken in a separated cage on top of the bee hive and treated with flupyradifurone. After one week the bees were released into the colony and their flight behavior was tracked for 40 days. The experiment was repeated twice. Kaplan-Meier-Method with log-rank Test was applied for comparing onset and end of foraging between the two treatment groups. Trips per active day and duration per trip between the different treatment groups were compared using Mann-Whitney U-Tests. Effects of flupyradifurone on honeybee brain structure were analyzed. Bees were treated with flupyradifurone for ten days. Brains (N = 10) were dissected and 5 µm sections were produced and stained with hematoxylin and eosin (H/E). For all experiments a significance level p < 0.05 was determined. Results: The mortality experiment revealed comparable results in newly emerged summer bees and long lived winter bees. The mortality of an intermediate concentration of approximately 1.0 µg flupyradifurone per bee per day was in three respectively two out of four replicates significantly increased. A tenfold higher concentration led to 100 % mortality, whereas a tenfold lower concentration was sublethal. Flupyradifurone reduced taste and appetitive learning performance in honeybees foraging for pollen and nectar. Only the highest concentration (8.3 *10 4 mol/l) had significant effects, whereas two tenfold lower concentrations had no effects. Flupyradifurone disturbed normal motor behavior and evoked motor disabilities after a single administration. The observed effects were stronger in long lived winter bees than in young summer bees. However, only a high dose (8.3 *10 4 mol/l) had these strong effects. After a continuous administration over 24 h the observed effects were less severe. Imidacloprid did not lead to motor disabilities. Pesticide-treated bees initiated foraging significantly earlier than control bees. This was true for both replicates. In the second replicate flupyradifurone treated bees furthermore showed more and longer foraging trips. Analyzing honeybee brains using light microscopy, no altered brain structures were observed after treating honeybees with flupyradifurone. Conclusion: High concentrations of flupyradifurone influence honeybee cognition and motor abilities in a similar way as the partly banned neonicotinoids. In lower concentrations, the observed effects are less severe. Future studies should examine possible synergistic effects of flupyradifurone between in combination with other pesticides, such as fungicides, but also in combination with parasites and other stressors, such as diseases.

An drei Standorten wurde die schädlingsregulierende Wirkung einer Raps-Rübsen-Mischsaat (Verhältnis 9:1) gegenüber einer Raps-Reinsaat bewertet. Des Weiteren wurden naturstoffliche und nach § 6a PflSchG selbst hergestellte Pflanzenschutzmittel als auch eine Käfersammelmaschine zur Regulierung der Stängelrüssler (Ceutorhynchus spp.) und des Rapsglanzkäfers (Meligethes aeneus F.) in Labor- und Freilandversuchen angewandt. In der Mischsaat war die Schaderregerabundanz gegenüber der Reinsaat zumeist erhöht. Diese führte zu einem teils signifikant stärkeren Schaderregerbefall der Rapspflanzen in der Mischsaat. Die Mischsaat erbrachte zudem einen teils signifikant geringeren Kornertrag. Natur-Pyrethrum und Spinosad führten im Labor zu deutlich erhöhten Mortalitäten bei den Stängelrüsslern. Im Freiland war kein Effekt erkennbar. Bei der Regulierung der Rapsglanzkäfer wies Spinosad in Feld- und Laborversuchen Wirkungsgrade bis zu 100 % auf. Gespritztes Gesteinsmehl und SiO2 zeigten einen nur geringen Effekt. Für die gleichmäßige Benetzung der Pflanzen mit diesen Präparaten kommt der Formulierung der Pflanzenschutzbrühe und der wiederholten Applikation eine hohe Bedeutung zu. Ökonomisch sind mehrfache Applikationen jedoch abzulehnen. Gestäubtes Gesteinsmehl und die Käfersammelmaschine sind aus Praktikabilitätsgründen nicht geeignet zur Regulierung der Rapsglanzkäfer. Ebenso wenig geeignet sind Quassin, Azadirachtin oder ein Bacillus thuringiensis-Präparat (B.t.t.). Mit Ausnahme einer Spinosad Applikation erzielte keine Pflanzenschutzmaßnahme einen wirtschaftlichen Mehrertrag. Stickstoffmangel und Unkrautkonkurrenz scheinen im ökologischen Rapsanbau häufig stärker auf die Limitierung der Kornerträge zu wirken als ein leichter bis mittlerer Schädlingsbefall. Je besser die Nährstoffversorgung und je geringer die Unkrautkonkurrenz, desto eher kann durch Pflanzenschutz ein wirtschaftlicher Mehrertrag realisiert werden. Die nötigen Pflanzenschutzkonzepte fehlen jedoch weiterhin. / On three sites the pest-regulating effect of a rape-turnip rape mixed cropping system (ratio 9:1) in comparison to rape in pure stand was assessed. Further, natural and self-produced natural insecticide solutions (§ 6a Plant Protection Act) and a beetle collecting machine to regulate the stem weevils (Ceutorhynchus spp.) and the pollen beetles (Meligethes aeneus F.) were applied in laboratory and field experiments. Compared to the fields in pure stand the mixed crop showed a significantly greater abundance of pests. This resulted in a sometimes significantly greater pest infestation of the rape plants in the mixed crop. Furthermore, the mixed crop often had a significantly lower grain yield. The use of natural pyrethrum and Spinosad resulted in significantly higher mortality rates of the stem weevils in laboratory tests. Under field conditions no effect could be detected. In the regulation of the pollen beetles, Spinosad demonstrated under field and laboratory conditions efficiencies of up to 100 %. Sprayed mineral powder or SiO2 had only a slight effect. For a uniform wetting of the plants with these compounds the formulation of the phytosanitary broth and its repeated application are important factors. From an economic perspective, however, repeated applications are inefficient. For reasons of practicality rock-dusted flour and the beetle-collecting machine are not suitable for pollen beetle regulation. Quassin is just as inappropriate as Azadirachtin, or Bacillus thuringiensis (B.t.t.) for the regulation of the pollen beetle. With the exception of one Spinosad application, no protection measure provided an economic surplus. Nitrogen deficiency and weeds seem to more frequently limit grain yield than slight to moderate pest infestation levels. The better the nutrient supply and the lower the weed competition, the more likely by crop protection can be realized an economic surplus. Adequate crop protection strategies, however, have not yet been developed.

Einleitung Der intensive Einsatz von Pflanzenschutzmitteln in der konventionellen Landwirtschaft kann zum Eintrag von Rückständen in die Nahrungskette führen. Milchliefernde Rinder nehmen Pflanzenschutzmittelrückstände mit dem Futter auf, die durch aktive Sekretion in die Milch eine Gefährdung für sensible Bevölkerungsgruppen, wie Kinder, verursachen könnten. Die in nationalen Rückstandskontrollen untersuchten Milchproben unterschreiten zwar in der Regel die gesetzlich festgelegten Höchstgrenzen (Maximum Residue Level, MRL), jedoch kann eine andauernde Belastung mit Pflanzenschutzmitteln die Entstehung chronischer Erkrankungen, wie Morbus Parkinson und Kinderleukämie, fördern. Im Rindereuter stellt der ATP-binding cassette Transporter der Subfamilie G2 (ABCG2) den wichtigsten Transportweg für Fremdstoffe in die Milch dar. Mit seinem breiten Substratspektrum ist der bovine ABCG2-Transporter (bABCG2) in der Lage, unterschiedliche Substrate in die Kuhmilch zu transportieren. Jedoch ist bislang unklar, ob auch Pflanzenschutzmittel bABCG2-vermittelt in die Milch sezerniert werden können und ob die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Rückstände die bABCG2-Effluxaktivität beeinflusst. Ziele der Untersuchungen Ziel dieser Arbeit war die Identifikation von Pflanzenschutzmitteln als mögliche Substrate des bovinen Effluxtransporters. Weiterhin wurde untersucht, ob zwischen zwei Wirkstoffen synergistische oder antagonistische Effekte am bABCG2-Transporter auftreten. Material und Methoden Es wurden 14 häufig in der konventionellen Landwirtschaft eingesetzte Pflanzenschutzmittel in 0,1-, 1- und 10-facher MRL-Konzentration, in Bezug auf essbare Gewebe von Rindern, untersucht. Weiterhin wurden sechs Kombinationen aus jeweils zwei Wirkstoffen ausgewählt. Im WST-1 (Water Soluble Tetrazolium 1) Assay wurden MDCKII-bABCG2-Zellen in aufsteigender Konzentration mit den Pflanzenschutzmitteln inkubiert (72 h) und die Zellvitalität ermittelt. Nach Inkubation der MDCKII-bABCG2- und MDCKII-Mock-Zellen mit den ausgewählten Pflanzenschutzmitteln oder den Kombinationen (4 h) wurde der Hoechst 33342-Akkumulationsassay durchgeführt. Dabei führt eine Interaktion des Pflanzenschutzmittels mit dem bABCG2-Transporter zu einer intrazellulären Anreicherung des Hoechst 33342-Farbstoffes. Für die Identifikation signifikanter Unterschiede wurden jeweils mindestens zwölf Monolayer auf Normalverteilung (Shapiro-Wilk-Test) überprüft und eine Einweg-Varianzanalyse mit Holm-Šidák post hoc Test (p ≤ 0,05) durchgeführt. Ergebnisse Nachdem eine Beeinträchtigung der Zellvitalität durch die ausgewählten Pflanzenschutzmittel in 0,1- bis 10-facher MRL-Konzentration ausgeschlossen wurde, konnte im Hoechst 33342-Assay für Chlorpyrifos-methyl und Tebuconazol ab 0,1-facher MRL-Konzentration eine signifikante Zunahme der intrazellulären Hoechst 33342-Gehalte im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle nachgewiesen werden. Für Diflufenican, Glyphosat, Methiocarb, Prochloraz, Rimsulfuron sowie Thiacloprid konnte in 1- und 10-facher MRL-Konzentration und für Iprodion sowie Ioxynil in 10-facher MRL-Konzentration eine signifikant erhöhte Hoechst 33342-Anreicherung detektiert werden. Darüber hinaus führte eine gleichzeitige Applikation von Methiocarb und Chlorpyrifos-methyl in 1-facher MRL-Konzentration, sowie von Glyphosat und Rimsulfuron in 10-facher MRL-Konzentration zu einer synergistischen Steigerung der Farbstoffakkumulation. Schlussfolgerung Es konnte festgestellt werden, dass das MDCKII-Zellmodell in Kombination mit dem Hoechst 33342-Assay eine valide Methode darstellt, um Wechselwirkungen einzelner und kombinierter Pflanzenschutzmittel zu detektieren. Insgesamt konnten unterhalb gesetzlich festgelegter MRL-Werte acht Pflanzenschutzmittel als potentielle bABCG2-Substrate identifiziert, sowie additive Effekte von Wirkstoffkombinationen nachgewiesen werden. Durch die Aufnahme von Pflanzenschutzmitteln mit dem Futter könnten diese aktiv in die Milch sezerniert werden und somit eine Gefahr für den Verbraucher darstellen:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 4 2.1 Überblick über Membrantransporter 4 2.2 ABCG2-Effluxtransporter 5 2.2.1 Überblick 5 2.2.2 Struktur 6 2.2.3 ABCG2-Transportmechanismus 8 2.2.4 Spezifität der ABCG2-Substrate und Inhibitoren 9 2.2.5 Gewebeexpression 11 2.2.6 Bedeutung 12 2.2.7 Regulation der ABCG2-Transportaktivität 14 2.3 Fremdstoffsekretion der bovinen Milchdrüse 16 2.3.1 Funktionelle Anatomie 16 2.3.2 Transportmechanismen 16 2.3.3 Fremdstofftransporter 17 2.3.4 Bedeutung des ABCG2-Transporters 19 2.4 Pestizide 20 2.4.1 Überblick 20 2.4.2 Einsatz von Pflanzenschutzmitteln 21 2.4.3 Rechtliche Regelungen 21 2.4.4 MRL-Wert-Festsetzung von Pestiziden 22 2.4.5 Exposition des Verbrauchers 23 2.4.6 Gesundheitliche Risiken 24 2.4.7 Pestizide als endokrine Disruptoren 25 2.4.8 Mehrfachrückstände 26 2.4.9 Risikobewertung von Mehrfachrückständen 27 2.5 Problemstellung und Zielsetzung 29 3 Material und Methoden 30 3.1 Material 30 3.1.1 Pestizide 30 3.1.2 Chemikalien 32 3.1.3 Kit 32 3.1.4 Puffer und Lösungen 32 3.1.5 Zellkultur 33 3.1.6 Geräte 34 3.2 Methoden 35 3.2.1 Allgemeine zellbiologische Methoden 35 3.2.1.1 Kultivierung 35 3.2.1.2 Passagieren 35 3.2.1.3 Bestimmung der Zellzahl 35 3.2.1.4 Kryokonservierung 36 3.2.2 Bestimmung der Zellvitalität mittels WST-1 Zytotoxizitätstest 36 3.2.3 Quantitative Proteinbestimmung mittels BCA-Assay 38 3.2.4 Ermittlung von Interaktionen am bABCG2-Transporter 38 3.2.4.1 Aussaat und Vorbehandlung 39 3.2.4.2 Durchführung des Hoechst 33342-Assays 40 3.2.5 Detektion von Pestizidwechselwirkungen am bABCG2-Transporter 41 3.3 Statistik 42 4 Ergebnisse 43 4.1 Auswahl der Pestizide und ihrer Konzentrationen 43 4.2 Auswahl der Pestizidkombinationen 46 4.3 Einfluss der Pestizide auf die Zellvitalität 48 4.4 Interaktionen von Pestiziden am bABCG2-Transporter 53 4.5 Pestizidwechselwirkungen am bABCG2-Transporter 56 5 Diskussion 60 5.1 Zellmodell 60 5.2 Zellvitalitätsstudien in MDCKII-bABCG2-Zellen 61 5.3 Pestizide als potentielle bABCG2-Substrate 64 5.4 Wechselwirkungen von Pestiziden am bABCG2-Transporter 75 5.5 Risiken potentieller bABCG2-Substrate 79 6 Zusammenfassung 80 7 Summary 82 8 Literaturverzeichnis 84 9 Anhang 106 10 Danksagung 111